本发明涉及一种电化学传感器的制备方法及应用。属于新型纳米功能材料与化学生物传感器技术领域。
背景技术：
有机磷农药是指含磷元素的有机化合物农药。主要用于防治植物病、虫、草害。其在农业生产中的广泛使用，导致农作物中发生不同程度的残留。有机磷农药对人体的危害以急性毒性为主，多发生于大剂量或反复接触之后，会出现一系列神经中毒症状，如出汗、震颤、精神错乱、语言失常，严重者会出现呼吸麻痹，甚至死亡。目前，检测有机磷农药分子的方法主要有酶联免疫法、高效液相色谱法、质谱法等。此类方法仪器贵重、操作复杂，化验人员需要专业培训后才能进行检测。因此，尽快开发一种快速、高选择性和灵敏检测有机磷农药的方法对公共健康非常重要，并有广阔的市场应用前景。
分子印迹电化学传感器具有高特异性选择性、优异的稳定性、优异的重现性、宽检测范围和底部检测限。由于该传感器制备简单、检测方便、灵敏度高、成本低等优点被广泛应用于色谱分离、膜分、固相萃取、药物控释、化学传感等领域。分子印迹聚合物（mip），也称为“塑料抗体”，能够特异性识别并选择性吸附特定的靶分子（即模板分子）。由于分子印迹技术具有许多优点，如有机试剂耐腐蚀性，良好的稳定性，耐高温性和制备简单。因此，在过去的几年中，基于mip与电化学传感器相结合的mip电化学传感器（mip-ecs）引起了电分析化学领域的热点关注，尤其是小分子污染物的检测。然而，在传统mip-ecs的制备过程中，有着模板分子难洗脱、印迹膜的厚度难控制、再生性差等缺点，限制了分子印迹膜在电化学传感器中的应用。这些问题，尤其是分子印迹膜厚度不易控制导致电化学传感器灵敏度降低以及分子印迹膜在洗脱过程中易从电极表面脱落导致稳定性和重现性降低的技术难题，限制了mip_ecs的应用，因此，寻找新的分子印迹聚合物合成方法、新的分子印迹膜电极的修饰方法和分子印迹膜与基底材料的结合方法，来解决mip-ecs的制备及应用难题具有重要的研究意义和市场价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种特异性强、制备简单、检测方便、灵敏度高、成本低的基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器的制备方法，所制备的电化学传感器，制备简单、重现性好、稳定性强，可用于有机磷农药分子的快速、灵敏检测。基于此目的，本发明首先在一次性可抛电极上制备了氮化镍纳米片阵列，利用其大的比表面积和对氨基的高吸附活性，采用原位生长的方法，相继在氮化镍纳米片阵列上直接相继制备了含有电子媒介体的聚多巴胺薄膜和以有机磷农药分子为模板分子的分子印迹聚合物，在将模板分子洗脱以后，原来的模板分子的位置变为了空穴，即洗脱模板分子的分子印迹聚合物，由此，一种基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器便制备完成。当用于对有机磷农药分子进行检测时，将基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器插入待测溶液中，待测溶液中的有机磷农药分子会吸附到nip的空穴中。待测溶液中的有机磷农药分子浓度越大，吸附到nip的空穴中有机磷农药分子越多。当进行电化学检测时，检测电流的强度会随着吸附到nip的空穴中有机磷农药分子的增多而变小，从而根据电流强度减小的程度，能够定性定量待测溶液中的有机磷农药分子的浓度。
本发明采用的技术方案如下：
1.一种基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器的制备方法，所述的基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器由氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray上原位生长无模板分子分子印迹聚合物nip得到的；所述的无模板分子分子印迹聚合物nip是不含有模板分子的分子印迹聚合物；所述的不含有模板分子的分子印迹聚合物是由含模板分子分子印迹聚合物mip经过洗脱模板分子得到的；所述的含模板分子分子印迹聚合物mip是含有模板分子的分子印迹聚合物；所述的模板分子是有机磷农药分子；
2.技术方案1中所述的氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray的制备方法包括以下制备步骤：
（1）将一次性可抛电极分别使用稀盐酸、无水乙醇和去离子进行超声清洗处理，用以去除一次性可抛电极的氧化层和表面杂质；
（2）称取1~3mmol六水合硝酸镍ni(no3)2·6h2o和3~9mmol尿素co(nh2)2，将其置入50ml烧杯中，加入30ml去离子水搅拌至澄清，然后转移到50ml聚四氟乙烯反应釜中；
（3）将步骤（1）处理好的一次性可抛电极放入步骤（2）中的反应釜里的溶液中，在100~130℃的温度下反应9~12小时，制备得到氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极；
（4）将步骤（3）得到的氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极插入氨水中5~30秒后取出，在氨气环境下，加热至340~400℃并保持4~8小时后，继续在氨气环境下自然降到室温，然后将其插入含有多巴胺、过硫酸胺和硝酸钴的磷酸盐缓冲溶液pbs中，在20~40℃的温度下反应4~6小时后，取出并用去离子水浸洗2~4次，制备得到氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray；
所述的一次性可抛电极选自下列电极之一：泡沫镍、泡沫铜、纯镍片、纯铜片、纯铁片、纯硅片、导电碳布；
所述的含有多巴胺、过硫酸胺和硝酸钴的磷酸盐缓冲溶液pbs中：多巴胺浓度为2~5mg/ml，过硫酸胺的浓度为3~8mg/ml，硝酸钴的浓度为0.1~0.5mg/ml，磷酸盐缓冲溶液pbs的浓度为0.1mol/l，ph值为7.2~8.5；
3.技术方案1中所述的nin-nanoarray原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip的制备方法包括以下制备步骤：
（1）分别称取0.25~0.45mmol模板分子和3~5mmol2-甲基丙烯酸maa于安倍瓶中，加入8~15ml乙腈，超声30min至全部溶解；
（2）将15~25mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯edma加入到步骤（1）的溶液中，超声30min至混合均匀，得到前驱体混合溶液；
（3）将技术方案2中制备的nin-nanoarray夹到旋转搅拌器上，插入到步骤（2）中的前驱体混合溶液中，在n2环境和水浴20~40℃的温度下，以5~200转/秒的速度旋转搅拌，同时以1~20滴/秒的速度向混合溶液中滴加1mmol偶氮二异丁腈aibn进行引发聚合，在nin-nanoarray上得到原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip；
4.技术方案1中所述的nin-nanoarray原位生长的无模板分子分子印迹聚合物nip的制备步骤为：将技术方案3中得到的在nin-nanoarray上原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip浸没于洗脱剂中，在室温下将模板分子进行洗脱5~20min，然后取出，即制得无模板分子分子印迹聚合物nip；所述的洗脱剂为甲酸和甲醇的混合液，其中甲酸与甲醇的体积比为9:(1~5)；
5.技术方案1中所述的基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器的制备步骤为：将技术方案2~4中制得的在nin-nanoarray上原位生长的无模板分子分子印迹聚合物nip，用去离子水浸洗2~4次，室温下晾干，即制得基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器；
6.采用技术方案1~5所述的技术方案所制备的基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器，应用于有机磷农药分子的检测，包括如下应用步骤：
（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的有机磷农药分子标准溶液；
（2）工作电极修饰：将基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器为工作电极，插入步骤（1）中配制的不同浓度的有机磷农药分子标准溶液，孵化10min后取出，用去离子水浸洗3次；
（3）工作曲线绘制：将饱和甘汞电极电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，与步骤（2）所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接电化学工作站，在电解槽中先后加入15ml磷酸盐缓冲溶液pbs；通过微分脉冲伏安法dpv检测组装的工作电极的电流响应；空白标样的响应电流强度记为i0，含有不同浓度的有机磷农药分子标准溶液的响应电流强度记作ii，响应电流强度降低的差值为δi=i0-ii，δi与有机磷农药分子标准溶液的质量浓度c之间成线性关系，绘制δi－c工作曲线；所述的磷酸盐缓冲溶液pbs浓度为10mmol/l、ph值为7.4；所述的dpv检测时的参数设置为：范围和方向为0~1v，步幅为0.05v，脉冲时间为0.05s，采样时间为0.016s，脉冲周期为0.5s；
（4）待测样品中有机磷农药分子的检测：用待测样品代替步骤（1）中的有机磷农药分子标准溶液，按照步骤（2）和（3）中的方法进行检测，根据响应电流强度降低的差值δi和工作曲线，得到待测样品中有机磷农药分子的含量；
7.技术方案1~6所述的有机磷农药分子是下列有机磷农药分子之一：对硫磷、内吸磷、甲基对硫磷、甲基内吸磷、马拉硫磷、二溴磷、硫特普、敌百虫。
本发明的有益成果
（1）本发明所述的基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器制备简单，操作方便，实现了对样品的快速、灵敏、高选择性检测，并且成本低，可应用于便携式检测，具有市场发展前景；
（2）本发明首次在氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray上原位生长分子印迹聚合物，一方面利用nin-nanoarray大的比表面积可以生长更多、更均匀的分子印迹聚合物，而且nin-nanoarray具有优良的电子传递能力，从而大大提高检测灵敏度；另一方面，本发明将多巴胺原位聚合到氮化镍纳米片阵列上时，创造性的掺杂入钴离子作为电子媒介体，在检测时直接产生电化学响应电流，使得传感器可以在无需加入其他媒介物质的缓冲溶液中直接进行检测，从而在进一步降低信号背景、提高检测灵敏度的同时，大大降低了检测成本并减少环境污染；
（3）本发明利用氮化物对氨基的高吸附活性以及纳米阵列电极大的比表面积与多巴胺相结合，使得多巴胺在氮化镍纳米片阵列表面原位聚合时，在形成足够薄的聚多巴胺薄膜的同时，均匀覆盖到氮化镍纳米片阵列上，从而为下一步更多更好的聚合分子印迹聚合物做好铺垫；之后利用聚多巴胺对分子印迹聚合物上富含的氨基的强的吸附连接作用，再巧妙地使用nin-nanoarray作为搅拌器，在分子印迹前驱体混合溶液中进行浸入搅拌，通过控制搅拌速度、聚合反应引发剂的滴加速度和聚合反应温度，在nin-nanoarray表面直接原位生长可以控制膜厚度的分子印迹聚合物，一方面使得nin-nanoarray可以牢固负载分子印迹聚合物，从而显著提高所制备的电化学传感器的稳定性和重现性；另一方面可以有效控制分子印迹聚合物在电极表面的成膜厚度，解决了无法控制分子印迹膜在电极表面成膜厚度无法控制从而导致重现性差的技术难题；此外，更由于本发明的制备方法对成膜厚度的有效控制和电子媒介体的原位包覆，可以充分提高分子印迹为基础的电化学传感器的灵敏度和检出限具有重要的科学意义和应用价值。
具体实施方式
实施例1nin-nanoarray的制备
（1）将一次性可抛电极分别使用稀盐酸、无水乙醇和去离子进行超声清洗处理，用以去除一次性可抛电极的氧化层和表面杂质；
（2）称取1mmol六水合硝酸镍ni(no3)2·6h2o和3mmol尿素co(nh2)2，将其置入50ml烧杯中，加入30ml去离子水搅拌至澄清，然后转移到50ml聚四氟乙烯反应釜中；
（3）将步骤（1）处理好的一次性可抛电极放入步骤（2）中的反应釜里的溶液中，在100℃的温度下反应12小时，制备得到氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极；
（4）将步骤（3）得到的氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极插入氨水中5秒后取出，在氨气环境下，加热至340℃并保持8小时后，继续在氨气环境下自然降到室温，然后将其插入含有多巴胺、过硫酸胺和硝酸钴的磷酸盐缓冲溶液pbs中，在20℃的温度下反应4小时后，取出并用去离子水浸洗2次，制备得到氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray；
其中的一次性可抛电极为泡沫镍；多巴胺浓度为2mg/ml，过硫酸胺的浓度为3mg/ml，硝酸钴的浓度为0.1mg/ml，磷酸盐缓冲溶液pbs的浓度为0.1mol/l，ph值为7.2。
实施例2nin-nanoarray的制备
（1）将一次性可抛电极分别使用稀盐酸、无水乙醇和去离子进行超声清洗处理，用以去除一次性可抛电极的氧化层和表面杂质；
（2）称取2mmol六水合硝酸镍ni(no3)2·6h2o和6mmol尿素co(nh2)2，将其置入50ml烧杯中，加入30ml去离子水搅拌至澄清，然后转移到50ml聚四氟乙烯反应釜中；
（3）将步骤（1）处理好的一次性可抛电极放入步骤（2）中的反应釜里的溶液中，在110℃的温度下反应11小时，制备得到氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极；
（4）将步骤（3）得到的氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极插入氨水中15秒后取出，在氨气环境下，加热至370℃并保持6小时后，继续在氨气环境下自然降到室温，然后将其插入含有多巴胺、过硫酸胺和硝酸钴的磷酸盐缓冲溶液pbs中，在30℃的温度下反应5小时后，取出并用去离子水浸洗3次，制备得到氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray；
其中的一次性可抛电极为纯铜片；多巴胺浓度为3.5mg/ml，过硫酸胺的浓度为6.2mg/ml，硝酸钴的浓度为0.3mg/ml，磷酸盐缓冲溶液pbs的浓度为0.1mol/l，ph值为8.0。
实施例3nin-nanoarray的制备
（1）将一次性可抛电极分别使用稀盐酸、无水乙醇和去离子进行超声清洗处理，用以去除一次性可抛电极的氧化层和表面杂质；
（2）称取3mmol六水合硝酸镍ni(no3)2·6h2o和9mmol尿素co(nh2)2，将其置入50ml烧杯中，加入30ml去离子水搅拌至澄清，然后转移到50ml聚四氟乙烯反应釜中；
（3）将步骤（1）处理好的一次性可抛电极放入步骤（2）中的反应釜里的溶液中，在130℃的温度下反应9小时，制备得到氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极；
（4）将步骤（3）得到的氢氧化镍纳米片阵列前驱体电极插入氨水中30秒后取出，在氨气环境下，加热至400℃并保持4小时后，继续在氨气环境下自然降到室温，然后将其插入含有多巴胺、过硫酸胺和硝酸钴的磷酸盐缓冲溶液pbs中，在40℃的温度下反应6小时后，取出并用去离子水浸洗4次，制备得到氮化镍纳米片阵列电极nin-nanoarray；
其中的一次性可抛电极为导电碳布；多巴胺浓度为5mg/ml，过硫酸胺的浓度为8mg/ml，硝酸钴的浓度为0.5mg/ml，磷酸盐缓冲溶液pbs的浓度为0.1mol/l，ph值为8.5。
实施例4基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器的制备方法
（1）分别称取0.25mmol模板分子和3mmol2-甲基丙烯酸maa于安倍瓶中，加入8ml乙腈，超声30min至全部溶解；
（2）将15mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯edma加入到步骤（1）的溶液中，超声30min至混合均匀，得到前驱体混合溶液；
（3）将实施例1中制备的nin-nanoarray夹到旋转搅拌器上，插入到步骤（2）中的前驱体混合溶液中，在n2环境和水浴20℃的温度下，以200转/秒的速度旋转搅拌，同时以1滴/秒的速度向混合溶液中滴加1mmol偶氮二异丁腈aibn进行引发聚合，在nin-nanoarray上得到原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip；
（4）将步骤（3）得到的在nin-nanoarray上原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip浸没于洗脱剂中，在室温下将模板分子进行洗脱5min，然后取出，即制得无模板分子分子印迹聚合物nip；继续用去离子水浸洗2次，室温下晾干，即制得基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器；
其中的洗脱剂为甲酸和甲醇的混合液，其中甲酸与甲醇的体积比为9:1。
实施例5基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器的制备方法
（1）分别称取0.35mmol模板分子和4mmol2-甲基丙烯酸maa于安倍瓶中，加入12ml乙腈，超声30min至全部溶解；
（2）将18mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯edma加入到步骤（1）的溶液中，超声30min至混合均匀，得到前驱体混合溶液；
（3）将技术方案2中制备的nin-nanoarray夹到旋转搅拌器上，插入到步骤（2）中的前驱体混合溶液中，在n2环境和水浴30℃的温度下，以60转/秒的速度旋转搅拌，同时以10滴/秒的速度向混合溶液中滴加1mmol偶氮二异丁腈aibn进行引发聚合，在nin-nanoarray上得到原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip；
（4）将步骤（3）得到的在nin-nanoarray上原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip浸没于洗脱剂中，在室温下将模板分子进行洗脱10min，然后取出，即制得无模板分子分子印迹聚合物nip；继续用去离子水浸洗3次，室温下晾干，即制得基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器；
其中的洗脱剂为甲酸和甲醇的混合液，其中甲酸与甲醇的体积比为9:3。
实施例6基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器的制备方法
（1）分别称取0.45mmol模板分子和5mmol2-甲基丙烯酸maa于安倍瓶中，加入15ml乙腈，超声30min至全部溶解；
（2）将25mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯edma加入到步骤（1）的溶液中，超声30min至混合均匀，得到前驱体混合溶液；
（3）将技术方案2中制备的nin-nanoarray夹到旋转搅拌器上，插入到步骤（2）中的前驱体混合溶液中，在n2环境和水浴40℃的温度下，以5转/秒的速度旋转搅拌，同时以20滴/秒的速度向混合溶液中滴加1mmol偶氮二异丁腈aibn进行引发聚合，在nin-nanoarray上得到原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip；
（4）将步骤（3）得到的在nin-nanoarray上原位生长的含模板分子分子印迹聚合物mip浸没于洗脱剂中，在室温下将模板分子进行洗脱20min，然后取出，即制得无模板分子分子印迹聚合物nip；继续用去离子水浸洗4次，室温下晾干，即制得基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器；
其中的洗脱剂为甲酸和甲醇的混合液，其中甲酸与甲醇的体积比为9:5。
实施例7实施例1~6制备的有机磷农药传感器，应用于有机磷农药的检测，步骤如下：
（1）标准溶液配制：配制一组包括空白标样在内的不同浓度的有机磷农药标准溶液；
（2）工作电极修饰：将基于氮化镍阵列的有机磷农药传感器为工作电极，插入步骤（1）中配制的不同浓度的有机磷农药标准溶液，孵化10min后取出，用去离子水浸洗3次；
（3）工作曲线绘制：将饱和甘汞电极电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，与步骤（2）所修饰好的工作电极组成三电极系统，连接电化学工作站，在电解槽中先后加入15mlpbs；通过微分脉冲伏安法dpv检测组装的工作电极的电流响应；空白标样的响应电流强度记为i0，含有不同浓度的有机磷农药分子标准溶液的响应电流强度记作ii，响应电流强度降低的差值为δi=i0-ii，δi与有机磷农药标准溶液的质量浓度c之间成线性关系，绘制δi－c工作曲线；所述的pbs为10mmol/l的磷酸盐缓冲溶液，所述的磷酸盐缓冲溶液的ph值为7.4；所述的dpv检测时的参数设置为：范围和方向为0~1v，步幅为0.05v，脉冲时间为0.05s，采样时间为0.016s，脉冲周期为0.5s；
（4）待测样品中有机磷农药的检测：用待测样品代替步骤（1）中的有机磷农药标准溶液，按照步骤（2）和（3）中的方法进行检测，根据响应电流强度降低的差值δi和工作曲线，得到待测样品中有机磷农药的含量。
实施例8实施例1~6制备的有机磷农药传感器，按照实施例7的检测步骤应用于不同有机磷农药的检测，线性范围和检测限见表1：
表1有机磷农药的检测技术指标
实施例9水样中有机磷农药的检测
准确移取一定水样，加入一定质量浓度的有机磷农药标准溶液，以未加入有机磷农药分子的水样为空白，进行加标回收实验，以实施例1~6制备的有机磷农药传感器，按照实施例7的步骤进行检测，测定水样中有机磷农药分子的回收率，检测结果见表2：
表2水样中有机磷农药分子的检测结果
表2检测结果可知，结果的相对标准偏差（rsd）小于3.2%，平均回收率为99.0~100.6%，表明本发明可用于水样中多种有机磷农药分子的检测，方法的灵敏度高、特异性强，结果准确可靠。